钠离子电池在变电站的应用前景展望

李明远

摘要：钠和锂具有类似的物化性质，且钠资源储量丰富、分布广泛、成本较低，因此在变电站储能领域具有良好的应用前景。现首先分析钠离子电池工作原理，然后介绍钠离子电池在变电站的应用场景及优势，最后重点探讨钠离子电池应用于变电站所面临的挑战，并对未来技术发展方向进行了展望。

关键词：电力系统;变电站;钠离子电池

0 引言

目前，锂离子电池发展状况良好，但是受锂资源储量的限制，难以同时支撑电子产品和电网储能的发展。因此，成本低廉、资源丰富、性能良好的鈉元素受到了一定的关注，钠离子电池能够满足电网储能领域成本低、安全性高、使用寿命长的要求，有望在变电站工程领域逐步替代铅酸电池，扮演重要角色。

1 钠离子电池简介

1.1    钠离子电池原理介绍

正极、负极、电解液、隔膜和集流体等部件构成了钠离子电池[1]，正负极之间由隔膜隔开以防止短路，电解液浸润正负极以确保离子导通，集流体起到收集和传输电子的作用。充电时，Na+从正极出发，在电解液里穿过隔膜进入负极，使正极处于高电势，负极处于低电势;放电时，Na+从负极出发，经电解液穿过隔膜进入正极，恢复原本态势。若以NaxMO2为正极材料，硬碳为负极材料，则反应式可表示为：

正极反应：NaxMO2？圳Nax-yMO2+yNa++ye-

负极反应：nC+yNa++ye-？圳NayCn

电池反应：NaxMO2+nC？圳Nax-yMO2+NayCn

1.2    钠离子电池优势

1.2.1    资源储量

钠资源的地壳丰度是锂资源的423倍，因此钠资源的价格远远低于锂资源，仅为后者的1.33%。并且钠资源在全球范围内均有分布，而锂资源的分布非常不均匀，75%分布在美洲。目前我国80%以上的锂资源需要进口，因此在地缘政治博弈中，储能电池使用钠资源比使用锂资源更能保证国家的能源安全。

1.2.2    材料成本

碳酸锂（99.5%电池级/国产）2021年均价为8.7万元/t，而无水碳酸钠2021年均价为0.3万元/t，并且钠离子电池其他材料也可选用低成本材料制作。因此，钠离子电池是电网储能更好的选择[2]。

1.2.3    使用性能

1.2.3.1    钠离子电池与锂离子电池的比较

虽然钠离子电池能量密度比锂离子电池低，按照钠离子电池80～100 W·h/kg、磷酸铁锂电池120～150 W·h/kg计算，前者能量密度仅为后者的2/3。但是钠离子的溶剂化能力更低，界面去溶剂化能力更强;钠离子的斯托克斯直径比锂离子电池的小，电解液浓度可以更低;钠离子电池具有优异的充放电倍率性能和高、低温性能，根据中科海钠公布的数据，钠离子电池循环寿命达4 000次以上，高、低温性能优异，安全性高，具备快充能力。这些优点足以弥补钠离子能量密度的不足[1]。

1.2.3.2    钠离子电池与铅酸电池的比较

铅酸电池循环寿命平均达450次，钠离子电池循环寿命更长;铅酸电池产业链存在较高的铅污染风险，而钠离子电池产业链污染风险较低;铅酸电池能量密度仅为40 W·h/kg，钠离子电池能量密度更高。

1.2.4    安全性能

钠离子电池安全性能好，体现在测试环节，钠离子电池能在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火、不爆炸。锂离子电池中锂枝晶的形成和发展，往往会导致锂离子电池短路自燃，而钠离子电池中，由于钠本身具有更高的活性，钠枝晶的化学稳定性不如锂枝晶，在准零电化学场下，在某些电解液中，钠枝晶会自消溶。因此，在对安全稳定运行要求异常严格的电力系统中，钠离子电池更具有优势。

2 钠离子电池在变电站中的应用场景

2.1    替代铅酸蓄电池

变电站直流系统如图1所示[3]。直流系统蓄电池组正常处于浮充电状态，由若干铅酸蓄电池串联起来。铅酸蓄电池在日常维护工作中主要有以下缺点：（1）质量、体积较大，需要考虑放置问题及承重问题，难以满足简化蓄电池组结构的要求。（2）密封蓄电池的使用寿命一般为4～5年，更换成本高。（3）蓄电池容量检测时，因为电池组数量多，放电时间长，放电后又要及时进行充电，就会损耗蓄电池本体，且耗费人力、物力。钠离子电池具有使用寿命长、成本较低、维护工作量少、质量较轻、体积较小的优点，能够替代铅酸蓄电池，增强直流系统性能。

2.2    替代应急发电机，降低变电站线损率

变电站站用电系统如图2所示[3]。

变电站站用电负荷采用辐射状供电和环形供电相结合的供电方式，接有Ⅰ类负荷、Ⅱ类负荷、Ⅲ类负荷，主变压器冷却系统、变电站消防系统负荷属于Ⅰ类负荷。

发电机广泛用作变电站应急电源。当变电站发生故障，站用电全停的时候，往往需要变电站值班员人工将发电机接入交流系统，并且需要手动启动发电机。假如在这段时间空隙中，变电站主变压器冷却系统、变电站消防系统不能工作，可能会扩大事故范围，影响电网运行稳定性。

当前变电站线损率仍然处于较高水平，随着降低变电站线损率工作的常规化开展，降低变电站线损率的潜力逐步减小。因此，提出一个构想，即利用光伏发电+钠离子电池储能的方式，在站用电系统中并联由钠离子电池、光伏电池板组成的光储一体化系统，经逆变器并入交流系统。

正常状态下钠离子电池组处于浮充电状态，并联于光伏专用直流系统，光伏电能通过光伏专用直流系统，经逆变器并联于站用电系统，为站用电系统提供清洁能源，降低变电站线损率，起到节能、环保的作用。当站用电系统因外部故障而全停的时候，钠离子电池组能够瞬时响应，为站用电重要负荷提供电源。因此，光储一体化系统可以替代当前的柴油发电机，增强站用电系统的供电可靠性。